Обсадка скважины

Сегодня в кругах специалистов царит единодушие в том, что скважина должна охватывать только один водоносный горизонт (см. гл. 4.2). Скважина с несколькими горизонтами должна составлять исключение и должна только в исключительных случаях вводиться в эксплуатацию, так как

при остановке работы в скважине происходит внутреннее перетекание грунтовых вод из различных водоносных горизонтов

различные химические особенности отдельных горизонтов грозят при смешении нежелательными химическими реакциями, которые ведут к выпадению осадка

прогрессирующее загрязнение водоносного горизонта распространяется дальше по скважине, таким образом, другой хороший горизонт может стать непригодным для использования.

Следует найти отдельный определенный водоносный пласт среди различных водоносных горизонтов, который можно точно выявить только при «сухом» бурении с креплением скважины обсадными трубами или с помощью разведочных скважин (см. гл. 4.4).

Скважины, охватывающие один водоносный горизонт

В большинстве случаев одна скважина охватывает только один водоносный горизонт, при этом колонна состоит из зумпфа, фильтрующей трубы и надфильтровой трубы. Возможно также добавление сплошных безщелевых труб («глухая» труба ср. гл. 4.3) на протяжении фильтра.

Обсадка скважины

Зумпфовая труба устанавливается совместно с заглушкой внизу колонны и имеет задачи: строится в скважине вместе подзумпфовой обсыпкой (см. гл. 6.3) для отстаивания неудаленных скважинных отходов в качестве отстойника для нанесенного в процессе работ песка

поднимать песок во время устранения песка поршневанием скважины, который удаляется с помощью буровой желонки или воздушного подъемника (маммут-насоса)

иногда в зумпфе может располагаться циркуляционный насос, когда нет другого выхода. Однако, установка насоса в зумпфе – это худшее решение (см. гл. 7, «Установка циркуляционного насоса»).

По моему мнению, две последних упомянутых задачи – это исключительные меры по установке зумпфовой трубы. Кроме того, эти ситуации создают проблемы для скважины тем, что буровой шлам, который скапливается вокруг зумпфовой трубы больше нельзя не вычистить, не удалить. В особенности при бурении с промывкой нужно отказаться от установки зумпфа по вышеназванным причинам; на сегодняшний день скважинный фильтр, достигающий дна, дает больше пользы для скважины, благодаря общепринятым интенсивным способам промывки и прочистки скважины от песка. При «мокром» бурении для оптимального использования водоносного горизонта ни в коем случае нельзя устанавливать конец зумпфовой трубы в водоупор.

Рис. 4.1 Ненужный грязеотстойник при бурении водоупора

Фильтрующая труба

Важнейшее правило установки фильтра:

Фильтрующий отрезок должен охватывать весь водоносный слой (→совершенная скважина)!

Хотя во многих случаях для получения необходимого количества воды водоносный слой используется частично (→ несовершенная скважина), при этом следует помнить, что

• •    большая поверхность притока воды уменьшает скорость притока, тем самым приводит к опасности засорения песком и быстрому старению

• •    достаточный запас открытой поверхности сокращается, не смотря на старение вследствие эксплуатации, так как закупоривание продвигается ниже

• •    дополнительные расходы на бурение и обустройство сравнительно невелики.

Таким образом, фильтровальная труба заканчивается раньше изолирующего слоя. Поэтому верхней границе фильтра надо уделить куда больше внимания. Здесь следует обратить внимание на:

• •    нижнюю границу верхнего водоупора

• •    самое глубокое понижение зеркала грунтовых вод

• •    расположение насоса

  тимального использования водоносного горизонта ни в коем случае нельзя устанавливать конец зумпфовой трубы в водоупор (см. гл. 4.1).

Фильтр должен начинаться примерно на 1-2 м ниже верхнего водоупора, чтобы необходимая подзумпфовая обсыпка (см. гл. 6.4) не упиралась в водоупор.

Самая глубокая точка понижения уровня воды не должна достигать фильтра, напротив фильтр должен начинаться на несколько метров ниже уровня понижения воды, так как при прогрессирующем старении он будет, так или иначе, опускаться еще ниже. Возможно, даже в дальнейшем придется сократить производительность, чтобы предотвратить понижения уровня воды до участка фильтра. Попеременная подача воды и воздуха в области фильтра ведет к более быстрому старению и кольматации данной области.

В случае если планируется размещение насоса или приемной сетки насоса между понижающимся зеркалом воды и верхней границей фильтра, следует учитывать дополнительную занимаемую площадь (см. гл. 8.3). Ни в коем случае нельзя размещать насос в области фильтра, кроме того насосу нужно достаточное давление подачи с расстояния не меньше 2 метров между опустившимся зеркалом воды и приемной сеткой.

Надфильтровые трубы

Надфильтровые трубы – это трубы со сплошными стенками, которые, как правило, идут от верхней границы фильтра до верхней границы поверхности земли. К ним также есть несколько требований:

• •    стенки труб должны быть гладкими с антикоррозионной защитой

• •    стыки труб при установке должны быть безопасными и герметичными

• •    высокое сопротивление внешнему давлению, так как особенно во время закладки гравийной обсыпки (см. гл. 6) гидравлическим способом под давлением может произойти большой перепад давления

• •    при размещении насоса должно быть предусмотрено достаточное пространство между насосом и трубой для попадания воды в полном объеме (см. гл. 8.3).

Требование к герметичности стыков обретает намного большее значение при удержании неподходящего водоносного горизонта. Чтобы не рисковать, сегодня герметизируют уже затрубное пространство за обсадными трубами по всей длине (см. гл. 7).

Высокое сопротивление внешнему давлению требуется при засыпке гравия, потому что смесь гравия и раствора создает в затрубном пространстве гидростатическое давление по отношению к стоящему столбу воды в области фильтра и обсадной колоны. Пример:

Плотность в затрубном пространстве:

Гравий ρ =                   1,8 т/м³

+ 40% раствора в поровом пространстве, ρ = 1,10 × 40% =       0,44 т/м³

2,24 т/м³

Перепад давления на глубине 100 м:

Внешнее давление                  2,24 × 100 =          224 м Вт.с.

• - Внутреннее давление раствора      1,10 × 100 =          110 м Вт.с.

114 м Вт.с. = 11,4 бар

Этот перепад давления создает реальную угрозу для тонких стенок обсадных труб.

При бурении глубоких скважин, а также скважин с глубоким водоносным горизонтом и большим перепадом давления между изолированным и неизолированным горизонтами нужно выбирать толстостенные трубы с большой прочностью на сжатие.

«Глухая» труба

«Глухая» труба устанавливается в районе фильтра, чтобы отсечь неподходящие слои внутри одного водоносного пласта или для установки насоса.

Непригодные слои внутри водоносного горизонта это, прежде всего, прослойки мелкого песка, суглинка и глины, которые многократно встречаются при проходке и которые очень трудно использовать. Зачастую с помощью интенсивного удаления песка эти слои делают пригодными для водозабора. Поэтому не так просто решить, отсечь или использовать непригодный слой. Если слой отсекают, тогда должна устанавливаться «глухая» труба выше и ниже непригодного слоя на 1 метр. Также возможно, что поступающая вода пойдет здесь по вертикали.

«Глухая» труба лучше всего подходит для установки насоса, так как

приток воды к насосу может поступать как сверху, так и снизу, внутри фильтрующей трубы такой высокой скорости потока не достигнуть

уровень воды опускается ниже или фильтрующая труба может быть установлена выше.

От «глухой» трубы следует отказаться, если мощность водоноса не велика, чтобы не сокращать возможную длину фильтра. Отсюда вытекает возможность установки насоса в удлиненной зумпфовой трубе.

Скважины, охватывающие несколько водоносных горизонтов

По возможности следует избегать использования нескольких водоносных горизонтов в одной скважине. Однако если необходимо охватить несколько водоносов в одной скважине, тогда следует учитывать, что

при остановке в работе горизонты перетекают друг в друга по вертикали (см. гл. 4.4)

вследствие перетекания возможно преждевременное старение скважины

в области изоляционного слоя затрубное пространство герметизируется, чтобы в дальнейшем можно было отсечь ненужные горизонты с помощью дополнительной обсадной колонны (см. гл. 7)

Само собой разумеется, что отдельные фильтрующие участки должны подходить по размеру щели каждому водоносному горизонту (см. гл. 5).

Рис. 4.4 Перетекание в скважине из-за разницы грунтовых вод двух горизонтов

На сегодняшний день вышеуказанная проблема делает вывод из эксплуатации подобной скважины очень затратным (см. гл. 14).

Скважины с измерительным фильтром

Установка одного или нескольких измерительных фильтров (контрольных фильтров или фильтров сопротивления) в затрубном пространстве означает неоценимое преимущество в том, что можно получить данные о сопротивлении на входе, а также негерметичности или фильтрации в обход. В противном случае при оценке состояния скважины как буровому мастеру локализировать прирост сопротивления притоку, вследствие кольматации, чтобы найти причины старения.

На рисунках 4.5.1 и 4.5.2 хорошо понятно, что фильтр сопротивления может оказать помощь в вопросе расположения закупорки фильтра, а также при выборе соответствующих мер по восстановлению и санации скважины (см. гл. 14). Учитывая, что дополнительные затраты на установку измерительного фильтра незначительны, его следует устанавливать на каждой водозаборной скважине!

Рис. 4.5.1 Скважина с фильтром сопротивления. Причина сопротивления притока заключается здесь во внутренней закупорке фильтра.

Рис. 4.5.2 Скважина с фильтром сопротивления, который располагается по всей длине основного фильтра. Причина сопротивления притока в данном случае кроется во внешней закупорке стенок буровой колонны.

По новым представлениям фильтр сопротивления следует устанавливать по всей длине основного фильтра. Теперь с помощью недавно разработанного 2’’пробного насоса можно будет отбирать пробы воды с больших глубин через измерительный фильтр при работе основного насоса. Главное условие, чтобы диаметр контрольного фильтра был, как минимум, 50 мм, а не так, как это общепринято – 25 мм. Более того, маленький диаметр трубы помогает более точному геофизическому замеру затрубного пространства.

Контрольный фильтр, который располагается выше пробуренного водоносного горизонта, помогает контролировать отсеченные слои водоносов. Если контрольный фильтр реагирует в отсеченном горизонте, находящемся выше, при работе с горизонтом, пригодным для использования, это указывает на негермитичность или фильтрацию в обход.

Учитывая вышесказанное, при размещении измерительного фильтра следует принимать во внимание, что он

• •    не прилегает ни к фильтру, ни к стенке колонны

• •    располагается максимально по центру затрубного пространства

• •    помещается в имеющемся вертикальном затрубном пространстве

• •    не мешает равномерному распределению гравийной обсыпки вокруг основного и контрольного фильтров.

Специальные типы конструкций

К самым важным специальным типам конструкций скважин относятся:

• •    скважины с расширенной надфильтровой колонной

• •    скважины с расширенным затрубным пространством

• •    скважины без обсыпки

скважины, надфильтровая колонна которых не доходит до верхней границы земли, так называемые скважины с «потерянным» фильтром.

Расширенная надфильтровая колонна выбирается тогда, когда диаметр обсадной колонны

не подходит для установки насоса.

Критичным является маленькое затрубное пространство, связанное с увеличенным диаметром колонны, которого должно быть достаточно для безопасной засыпки гравия. В данном случае нужно учитывать минимальное значение для затрубного пространства по стандарту DIN 4924 «Фильтрующий песок и гравий для скважинного фильтра», для которого в зависимости от размера гранул обсыпки допускается минимальная толщина:

Минимальное значение необходимо исключительно во избежание гравийных мостов в процессе засыпки негидравлическим способом (см. минимальная толщина слоя при использовании гравийного фильтра).

Также в скважинах с расширенным гравийным пространством необходимое затрубное пространство между надфильтровой трубой и обсадной трубой создает трудности для подачи большого количества гравия в расширенное затрубное пространство.

Этот вариант оправдан в редких случаях, когда над плохо пропускающим водоносным слоем располагается большой и трудный для бурения слой. Его пробуривают с помощью бура-расширителя (шарнирной коронкой), который расширяет ствол под обсадной колонной.

Скважины без обсыпки очень редко используются, когда пробуривают меньшим диаметром внутри готовой обсадной колоны. Условия создания скважины без обсыпки следующие:

хорошая рыхлая порода, которую можно разработать под «натуральную обсыпку»

установка фильтра с большой входной поверхностью, например фильтра "ДЖОНСОН" с проволочной обмоткой (см. гл. 4.5)

интенсивное сквозное удаление песка для разработки «натуральной» обсыпки (см. гл. 9).

Скважины с «потерянным» фильтром раньше создавались часто. Они отличаются тем, что в них обсадная труба соединяется с надфильтровой трубой и фильтром посредством паккера.

Преимущества такого варианта скважины:

• •    легкая замена фильтрующего участка, что раньше часто было необходимо при смене использованного сетчатого фильтра, непригодного по причине коррозии или нарушения герметичности

• •    в любом случае достаточное место для установки насоса

• •    безопасная защита для обсаженного выше водоносного слоя

• •    контроль фильтрового гравия в затрубном пространстве.

При установке «потерянного фильтра» требуется тщательная герметизация затрубного пространства между обсадной трубой и «потерянной» надфильтровой трубой.

В южных частях Германии этот вариант обустройства скважины, пробуренной большим диаметром, видоизменен таким образом, что обсадная труба прочно цементируется до верхней границы земли, что дает преимущество в том, что

• •    коррозия, вследствие попадания грунтовых вод на трубу, не проникает в защищенную обсадную трубу

• •    гравийная обсыпка защищена до конца скважины и может контролироваться

• •    в затрубном пространстве не требуются уплотнительные материалы, действенность которых к тому же трудно там проверить.

В любом случае главное условие – это плотно прилегающая обсадная труба или цементация обсадной трубы!